柴油机万有特性拟合方法对比及评价
柴油机性能优化计算及分析
柴油机性能优化计算及分析毛明华倪计民(同济大学，上海200092)摘要利用GT-POWER 建立了柴油机计算模型，通过试验验证了模型的正确性。
以降低柴油机的燃油耗率为目标，从压缩比、配气相位和供油提前角三个方面，对柴油机标定工况进行性能优化，并对2气门和4气门两种结构柴油机的性能进行了分析、对比。
Abstract :An engine performance simulation model is established with GT-POWER and the model is verified by engine test.The optimization of engine rated performance is carried out by simulation with fuel consumption reduction as a target and taking compression ratio,valve timing and injection timing into consideration.The performances of engines with 2valves per cylinder and 4valves per cylinder are analyzed and compared.关键词：柴油机ＧＴ－ＰＯＷＥＲ模拟计算优化计算Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ，ＧＴ－ＰＯＷＥＲ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ柴油机设计与制造Design &Manufacture of Diesel Engine 2008年第4期第15卷（总第125期）来稿日期：2008-09-03作者简介：毛明华（1979－）女，在读硕士研究生，工程师，主要研究方向为柴油机技术。
（403）１前言内燃机工作过程的数值计算是一种现代化的计算研究方法。
随着内燃机燃烧、流动、传热等循环过程子模型向多维化、实用化发展，模拟计算结果已经能较好地与实测结果吻合。
万有特性曲线
当内燃机在油量调节机构（油量调节或节气门）保持不变的情况下，主要性能指标随着内燃 机转速的变化规律叫做发动机的速度特性曲线。 当油量调节机构开到最大或者节气门的开度 最大时， 发动机的主要性能指标随发动机转速的变化成为发动机的外特性曲线， 它反映了发 动机的最大功率、 最大转矩和最低油耗所对应的转速。 油量调节机构低于最大位置或者节气 门没有开到最大程度时， 发动机的主要性能指标随发动机转速的变化规律称为发动机的部分 负荷特性曲线。 柴油机速度特性分析： 1） 循环供油量������������ 曲线随 n 增大而增大，根据油量调节杆位置不变时，由于进油孔节流和 燃料泄露的影响，������������ 随 n 的增加而增加，只有在转速很高转速时，曲线才会转平。 2） 知识热效率������������������ ，两头低，中间高。低速时，燃油压力低，缸内的气流运动小，这是混 合气形成及燃烧不利，同时传热损失增大，������������������ 下降。高速时，喷油量及燃烧持续角增 大，同时ϕc 下降，������������ 升高，������������������ 。 3） ������������ 随着 n 的升高而降低。 柴油机无节气门的流动损失,所以在各种富负荷下大致相同， 但 4） Te 曲线，因为������������ 和������������ （上升、下降）的影响，故总体比较平坦，但������������������ 使其端下垂。 5） Pe 随 n 增大而增大，由于 Te 比较平坦，所以 Pe 随着 n 持续增大，当增大到一定值后 由于机械损失的增大而降低。 6） be∝ ������
（二） 柴油机、汽油机速度特性比较: 1) 柴油机在各种负荷下，其 Te 曲线都比较平坦，在中低负荷下，Te 随转速的升高而增 大。汽油机在各种负荷下，其 Te 曲线都比较窄，在中低负荷下，Te 随转速的升高而 降低。 2) 柴油机的最佳经济油耗区比较宽，汽油机节气门开度越小，be 的翘起程度越大，的最 佳经济油耗区比较窄。 ������1 ϕc ������ ������ ������������ ������������ = = ϕ������ ������0 ϕ������ ������������������ ∝ ������������ ������������������ ������������ ∝ ϕc ������ ������ ϕ������ ������������ ������
《内燃机学》习题集
《内燃机学》习题集第一部分内燃机学(Ⅰ)（理论学时：72学时）第一章概论（2学时）一、内容1. 内燃机简史2. 内燃机的发展第二章内燃机的工作指标（5学时）一、内容1. 内燃机指标体系2. 内燃机指示性能指标3. 内燃机有效性能指标4. 内燃机热平衡5. 提高内燃机动力性能与经济性能的途径二、填空题1.内燃机指标体系中主要有⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽等几类指标。
2.内燃机强化指标主要有：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽等。
3.造成内燃机有效指标与指示指标不同的主要原因是⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽。
4.平均有效压力可以看作是一个假想不变的力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程所做的⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽。
5.在标定工况下，高速四冲程柴油机的有效燃油消耗率的一般范围为g/kW.h。
6.汽油机有效效率的一般区间为：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽；柴油机有效效率的一般区间为：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽。
7.从内燃机示功图上可以得到的信息包括：、、等。
8.增压柴油机的示功图与非增压相比，主要不同点有：、等。
9.什么动力机械应该用持续功率？；什么动力机械应该用十五分钟功率？。
10.给出几个能反映普通汽油机特点的性能指标值：、、等。
11.内燃机的指示指标是指工质对做功为基础的指标；指示功减有效功等于。
12.平均指示压力是一个假想不变的压力，这个压力作用在活塞顶上，使活塞所做的功。
13.发动机转速一定，负荷增加时，机械效率。
14.测量机械损失的方法主要有几种。
15.内燃机中机械损失最大的是：。
16.活塞和活塞环的摩擦损失大约占机械损失功率的％。
17.机械损失的测量方法有：、、等。
发动机万有特性试验方法
一、外特性：发动机的速度特性曲线表示有效功率Pe（千瓦）、扭矩Me（牛顿米）、比燃料消耗量Ge（克/千瓦小时）随发动机转速n而连续变化的表现。
发动机的速度特性是在制动试验台架上测出的：1.保持发动机在一定节气门开度情况下，稳定转速，测取在这一工况下的功率、比耗油等；2.然后调整被测机载荷（扭距变化），使发动机转速改变，再测得另一转速下的功率、比耗油。
按照一定转速间隔依次进行上述步骤。
就能测出在不同转速下的数值，将这些数值点连点地组成连续曲线，就产生了功率曲线、扭矩曲线和比燃料消耗量曲线，它们与相应的转速区域对应。
二、万有特性试验方法：楼上说的不错，一般不会通过万有特性测试来确定外特性，而是先标定好外特性，然后再去进行万有特性测试。
不过这只是在正常开发新机时的顺序，如果是要测试一台不明状态的发动机，在油门设置好之后可以直接进行万有特性试验，万有特性数据里是包含外特性数据的。
手动进行万有特性测试的一般流程为：1.热机后，将发动机调整至额定工况，即额定转速、额定功率，假定为100kW@2000r/min，那么对应扭矩（也称负荷）应为477.5Nm，此时试验台架控制模式应为转速-油门模式，且油门全开，控制好水温、进气温度、进气湿度、进气负压、排气背压等边界条件后，记录各种所需参数；2.然后根据该工况的扭矩，计算出最大扭矩的10%，20%…90%的扭矩值，台架控制模式调整为转速-扭矩模式，保持额定转速不变，减小扭矩至90%*477.5Nm=429.75Nm，然后待发动机各参数基本稳定后记录所需参数，按此步骤记录该转速10个扭矩点，即可得到额定转速的负荷特性；3.然后试验台架再切换为转速-油门模式，油门全开，然后减小100r/min至1900r/min，重复上述相应步骤，从高到底记录十个扭矩点的所需参数，完成该转速下的负荷特性测试；4.再接着降转速进行负荷特性测试，直到所需的最低转速，如800r/min；最后根据这13*10=130个工况的数据绘制万有特性曲线即可。
发动机万有特性
（4）机械效率 ηm 转速增加，消 耗于机械损失功增 加。因此，随转速 升高，机械效率ηm 明显下降。
综合作用的结果是；当转速由低开始上 升时，η v，ηit同时增加的影响大于ηm下降的 影响，使Ttq增加，对应于某一转速时，Ttq达 到最大值。转速继续增加，由于η v、ηit、ηm 均下降，因此Ttq随转速升高而较快的下降， 即Ttq曲线变化较陡。
（1）在节气门 开度一定时，过量 空 气 系 数 φat 可 视 为 常数。 （2）充气效率 η v在某一中间转速 时最大。因为一定的 配气相位仅对一种转 速最适合，此转速下 能最好地利用气流惯 性。其余转速时η v 均降低，曲线为上凸 形。
（3）指示热效率ηit 转速低，进气流速 低，紊流减弱，使雾化、 混合状态较差，火焰传 播速度降低，散热及漏 气损失增加，ηit较低，转 速高时，燃烧过程所占 曲轴转角较大，燃烧在 较大容积下进行，ηit也较 低。但变化比较平坦， 对Ttq影响较小。
汽油机负荷特性分析
（一）燃油消耗率曲线
由公式b=k3/ηitηm可 知，燃油消耗率b的变 化取决于ηit、ηm的变化 。ηit、ηm随负荷的变化 如图所示。
（1）ηi 转速一定，负荷增加， 节气门开度加大，残 余废气相对减少，热 负荷增加，从而改善 了燃油雾化、混合条 件，使燃烧速度加快， 散热损失相对减少， ηi 增 加 。 负 荷 增 至 大 负荷，加浓装置工作， ηi下降。
3．燃油消耗率变化趋势 b=k3/ηitηm b在某一中间转速当ηitηm达到最大值时出现 最低值。当转速较此转速低时，由于ηm上升弥 补不了ηit 的下降，使b增加。转速较此转速高 时ηit、ηm均较低，b也增加。
（二）部分负荷速度特性
随着节气门的关小， 节流损失增大，充气效率 减小，使部分负荷速度特 性的 Pe 、Ttq 低于外特性 值。且转速越高，充气效 率减小的越多，因此，节 气门开度越小，随转速增 加，扭距、功率曲线下降 得越快，并使最大扭矩及 最大功率点向低速方向移 动。
柴油机的特性
柴油机的特性一．柴油机工况的变化柴油机由于用途和使用条件不同，它在实际运转中的工作状况的变化可以分成以下三类：1．带动发电机的柴油机：其工作特点是要求转速恒定，以保持供电电压和频率稳定。
在这个恒定的转速下，功率可在零到最大值之间变化，其大小取决于用电情况。
2．带动螺旋桨的柴油机：柴油机转速与螺旋桨转速一致（或是倍乘关系），稳定运转时，柴油机发出功率与螺旋桨吸收功率相等。
因此，柴油机的工况变化规律取决于螺旋桨特性。
3．车用柴油机：柴油机的转速和扭矩之间没有一定的关系。
转速取决于车速，扭矩取决于装载量、路面阻力。
二．柴油机特性的分类我们已知表征柴油机性能的主要指标有：平均有效压力、有效扭矩、有效功率、有效耗油率、平均指示压力等。
运转中的这些柴油机性能指标是随着柴油机运转工况的不同而变化的。
柴油机的主要性能指标和工作参数（如排气温度、最高爆发压力、增压压力等）随运转工况变化的规律称为柴油机的特性。
如果把这种变化规律在坐标轴上用曲线的形式表示出来，这种曲线即称为柴油机的特性曲线。
有了特性曲线，掌握了柴油机的特性，就可以合理利用柴油机的一系列特性，知道我们在使用柴油机时如何提高其可靠性、使用寿命，以及如何节油。
如在各种使用条件下决定其极限允许使用范围，选择其最佳工作点，检查其工作质量（性能指标、工作参数）是否良好等。
对于特定的柴油机在运转中可能使柴油机有效功率发生变化的参数只有平均有效压力和转速，它们是两个可以互相独立的基本参数。
由此，根据平均有效压力和转速的变化情况可将柴油机的特性进行分类。
1．速度特性：当平均有效压力不变（测定时是将油量调节机构固定，平均有效压力在实际上是略有变化的），柴油机的性能参数随转速变化的关系。
2．负荷特性：当转速不变，定于某一设定值时，柴油机的性能参数随负荷（平均有效压力）变化的关系。
柴油机的负荷通常是指柴油机阻力矩大小，由于平均有效压力正比于阻力矩，常用平均有效压力来表示负荷。
发动机特性建模方法的选择
表3
820
830
132.420115 133.393349
144.938209 148.484443
132.420115 133.393351
132.420115 133.393351
144.938209 148.484443
144.938209 148.484443
-115.022547 -106.137486
N
∑ Zi 为总体的均值。
t −1
3 实例及结果分析
3.1 外特性建模实例与分析
已知某发动机的的转速与扭矩的数值如表 1（转速的单位 n/min,扭矩的单位 N*m）：
-3-
表1
610
108.009492
740
124.042670
620
109.356439
1．引言
发动机数学模型的建立是汽车动力性和燃油经济性模拟计算的基础，发动机数学模型的 描述包括汽车发动机的外特性和发动机的万有特性。对于已知试验数据的发动机，可以采用 数值计算的方法（主要是插值和拟合）来建立发动机的模型，但是插值和拟合的方法均有很 多种，需要从中选出最合适的建模方法 ，使得汽车性能仿真计算的结果满足精度要求。[1] [3]
2.2.1 二元全区间插值
给定矩形域上n×m个结点（xi,yi）(i=0,1,2,…,n-1 ;j=0,1,2,…,m-1)上的函数值
( ) zij = z xi , y j ，利用二元三次插值公式计算指定插值点（u,v）处的函数近似值w=z(u,v)。
设 给 定 矩 形 域 上 n × m 个 结 点 在 各 个 方 向 上 的 坐 标 分 别 为 x0 < x1 < … < xn−1 ，
发动机万有特性曲线
发动机万有特性曲线
万有特性曲线，也叫map图，左侧纵坐标是发动机输出扭矩，横坐标是发动机转速，右侧纵坐标是发动机做功汽缸平均有效压力。
最小的那个圈是指最小的燃油经济性，然后慢慢扩散，从图里可以看出在发动机转速2400-3200输出扭矩在85-100NM时燃油经济性最好。
将不同转速的负荷特性转换为以平均有效压力Pme或Ttq为横坐标、燃油消耗率b为纵坐标的负荷特性，并逆时针旋转90°。
在万有特性图的横坐标上，以一定比例标出转速数值。
纵坐标Pme的比例应与负荷特性Pme的比例相同。
万有特性的制取：
柴油机通常根据各种转速下的负荷特性曲线，用作图法可以得到万有特性；而汽油机通常用速度特性法作出万有特性图。
一、等燃油消耗率曲线
（1）将不同转速的负荷特性转换为以平均有效压力Pme或Ttq 为横坐标、燃油消耗率b为纵坐标的负荷特性，并逆时针旋转90°。
（2）在万有特性图的横坐标上，以一定比例标出转速数值。
纵坐标Pme的比例应与负荷特性Pme的比例相同。
二、等功率曲线
根据公式Pe= kPmen，可画出等功率曲线，是一组双曲线。
边界线
将外特性中的Ttq-n画在万有特性上，构成边界线。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
10.16638/ki.1671-7988.2017.17.053
柴油机万有特性拟合方法对比及评价
王磊
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）
摘要：文章主要阐述万有特性拟合在整车平台开发中的作用，给出万有特性拟合数据有效性评价方法。
通过某柴油机万有特性常见拟合方法对比分析，给出该柴油机最佳拟合分析方法。
关键字：柴油；万有特性曲线；最小二乘法
中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)17-141-02
Analysis and Evaluation on Diesel Engine Characteristic Curv
Wang Lei
( Commerical Vehicle Rearch Institute, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601 )
Abstract:This paper research the effect of diesel engine characteristic curv in vehicle development, and indicate the evaluation on diesel engine characteristic curv. This paper point out the best engine characteristic curv in contrast. Keywords: diesel; characteristic curv; least square method
CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)17-141-02
引言
中国目前是近3000万的全球最大汽车市场，无论是乘用车商用车都是充分竞争的行业。
车辆销售的成功往往是综合能力的成功。
动力传动系统开发在传统汽车开发中投入占比最高。
如何最大程度发挥其价值是各OEM的硬功夫。
正是由于竞争激烈且开发成本高，各细分市场都是整车争夺的阵地。
外加鸡蛋不能放在同一篮子里的缘故，一机多车，一车多机是目前汽车市场极为普遍的现象。
动力传动系统匹配技术伴随研究深度满足实际应用后，其汽车及大总成间的平台化机车匹配就显得尤为重要。
通过技术的边界去挖掘产品的边界是提升产品价值，降低开发成本的重要方法。
目前国内动力匹配应用A VL-cruise等商业软件较为普遍，其产品精度也能满足一般用户需求且简单易学，因此应用广泛。
但随着油耗需求的不断提升，动力匹配越来越精细化，原来一体化的部件被逐渐细分，这在仿真建模过程中必不可少。
商业软件部分建模效果不佳，因此重新构建动力传动系统匹配软件亦有其应用价值。
发动机万有特性则是动力传动系统匹配中最重要的部分。
本文主要通过对某柴油机万有特性案例，应用常见万有特性拟合方法，给出万有特性拟合数据评价方法，找到精度较高的最佳拟合分析方法。
1 常见分析方法
最小二乘法线性回归由于计算简单易行，在工程中应用极为广泛。
下述均基于此方法进行分析：
1）基本拟合因变量分为转速n和扭矩T。
分析方法分为因变量（n，T）和（1，n，T）两种。
2）转速n和扭矩T由于计算精度问题，确定是否改变单位大小或取对数。
3）万有特性整体非线性，是否采用分域拟合方法。
4）拟合阶次确定为多少最佳。
综上所述，数据分析方法在以上四个分析方向基础上组合，即变量阶次按二元一次、二元二次、二元三次、三元一次、三元二次共5类；数据量级按原数据、全部取对数、全部数据除10、转速除100/扭矩油耗除10共4类；区域法按
作者简介：王磊，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
汽车实用技术
142 2017年第17期
不分区、按转速扭矩中值分区、按油耗最低处转速扭矩分区共3类，总计共60种拟合方法，共180个拟合数据。
2 数据评价方法
不同数据拟合计算相应转速n 和扭矩T 输入条件下油耗be 。
1）相关系数及标准差分析：分析试验数据及拟合数据相关系数R ²、残差的标准差s （ε）；
2）最大误差及平均误差分析：计算残差绝对值与试验值之比，找出最大误差及平均误差。
最大可接受误差为3%。
3 数据分析及评价
1）万有特性原始数据
出于保密原因，原始数据无法完全展示。
此处展示最大油耗、最小油耗及样本量数据。
表
1
样本从900rpm-2600rpm 中10处转速9处扭矩条件下取样本数据，总体样本量90。
2）分析评价
图1
上图中横坐标为不同变量不同阶次方法，纵坐标为误差，折线为不同数据量级及分区法条件下数据。
由上图数据可知：a ）增加因变量1的三元数据与二元数据拟合结果完全相同，此方法确定无效；b ）拟合阶次越高，精度越高。
表
2
上图可知，拟合数据精度大小对比：分区1>分区2>原始数据。
因此对于非线性万有特性数据，按照分区方法拟合，可提高其拟合精度。
由下图可知，该类型拟合数据精度均较高。
其中对数拟合精度最高，计算对数拟合四个区域平均误差0.16%，最大误差为0.98%，平均标准差0.298，标准差的标准差为0.255。
表
3
4 数学模型
为了提高模型拟合精度，发动机万有特性曲线以等小时油耗量表达，即表现为发动机等小时油耗B 与转速n 和扭矩T 的关系，类似幂
函数 ，其函数表达式如下：
，其中C 0，C ij 为多项式拟合系
数。
分区方法：转速界限为转速最大最小值的均值；扭矩界限为扭矩最大值最小值的均值。
5 结论
1）增加定值作为变量的分析方法没有改变分析结果。
2）数学模型阶次越高拟合精度越高，但受限于计算系统精度及计算资源，选择3阶幂函数较为合理。
3）高精度万有特性拟合数据可以大大简化计算量，为整车动力匹配精度提升做出更大贡献。
参考文献
[1] 陈朝阳,赵正彩,余中桂等.汽车发动机万有特性曲面拟合的一种
新方法Ⅱ.安徽工学院学报.1994,13 (2)：35-40.
[2] 黄风清.基于MA TLAB 的发动机万有特性曲面拟合.[M]柴油机设
计与制造,2014,3.
[3] 张京明,赵桂范.发动机特性计算模型在整车性能计算中的应用
I-J].车用发动机.2000,3.
[4] 江发潮,陈全世,曹正清.发动机特性数值仿真方法的研究[J].车用
发动机,2004,(4)：32～34.。